L‘une des découvertes les plus révolutionnaires du XXe siècle est que certaines propriétés de l’Univers sont quantifiées et obéissent à des règles quantiques contre-intuitives. Les constituants fondamentaux de la matière sont quantifiés en particules individuelles discrètes, qui présentent des comportements étranges et « effrayants » qui nous surprennent constamment.
Mais l’étrangeté quantique de l’Univers va encore plus loin : jusqu’aux champs qui imprègnent tout l’espace, avec ou sans particules. Voici pourquoi nous en avons aussi besoin.
De toutes les idées révolutionnaires que la science a entretenues, la plus bizarre et contre-intuitive est peut-être la notion de mécanique quantique. Auparavant, les scientifiques avaient supposé que l’Univers était déterministe, en ce sens que les lois de la physique permettraient de prédire avec une précision parfaite comment n’importe quel système évoluerait dans le futur.
Nous avons supposé que notre approche réductionniste de l’Univers – où nous avons recherché les plus petits constituants de la réalité et travaillé pour comprendre leurs propriétés – nous conduirait à la connaissance ultime des choses. Si nous pouvions savoir de quoi sont faites les choses et déterminer les règles qui les gouvernent, rien, du moins en principe, ne serait au-delà de notre capacité de prédiction.
Cette hypothèse s’est rapidement avérée fausse en ce qui concerne l’univers quantique.
Lorsque vous réduisez ce qui est réel à ses plus petits composants, vous découvrez que vous pouvez diviser toutes les formes de matière et d’énergie en parties indivisibles : les quanta. Cependant, ces quanta ne se comportent plus de façon déterministe, mais seulement de façon probabiliste. Même avec cet ajout, cependant, un autre problème demeure : les effets que ces quanta provoquent les uns sur les autres.
Nos notions classiques de champs et de forces ne parviennent pas à saisir les effets réels de l’univers de la mécanique quantique, ce qui démontre la nécessité pour eux d’être quantifiés d’une manière ou d’une autre. La mécanique quantique n’est pas suffisante pour expliquer l’Univers ; pour cela, la théorie quantique des champs est nécessaire.
Il est possible d’imaginer un univers où rien du tout n’était quantique et où il n’y aurait besoin de rien au-delà de la physique du milieu à la fin du 19e siècle. Vous pourriez diviser la matière en morceaux de plus en plus petits autant que vous le souhaitez, sans limite. À aucun moment vous ne rencontrerez un bloc de construction fondamental et indivisible ; vous pourriez réduire la matière en morceaux arbitrairement petits, et si vous disposeriez d’un «diviseur» suffisamment pointu ou solide, vous pourriez toujours le décomposer encore plus.
Au début du XXe siècle, cependant, cette idée s’est avérée incompatible avec la réalité.
Le rayonnement des objets chauffés n’est pas émis à toutes les fréquences, mais est plutôt quantifié en « paquets » individuels contenant chacun une quantité spécifique d’énergie. Les électrons ne peuvent être ionisés que par la lumière dont la longueur d’onde est plus courte (ou la fréquence est supérieure) à un certain seuil. Et les particules émises dans les désintégrations radioactives, lorsqu’elles étaient tirées sur un mince morceau de feuille d’or, ricochaient parfois dans la direction opposée, comme s’il y avait des « morceaux » durs de matière là-dedans que ces particules ne pouvaient pas traverser.
La conclusion accablante était que la matière et l’énergie ne pouvaient pas être continues, mais étaient plutôt divisibles en entités discrètes : les quanta.
L’idée originale de la physique quantique est née avec cette prise de conscience que l’Univers ne pouvait pas être entièrement classique, mais pouvait plutôt être réduit en morceaux indivisibles qui semblaient jouer selon leurs propres règles, parfois bizarres. Plus nous expérimentions, plus nous découvrions ce comportement inhabituel, notamment :
- le fait que les atomes ne pouvaient absorber ou émettre de la lumière qu’à certaines fréquences, nous apprenant que les niveaux d’énergie étaient quantifiés,
- qu’un quantum tiré à travers une double fente présenterait un comportement ondulatoire plutôt que particulaire,
- qu’il existe une relation d’incertitude inhérente entre certaines grandeurs physiques, et mesurer l’une avec plus de précision augmente l’incertitude inhérente à l’autre,
- que les résultats n’étaient pas prévisibles de manière déterministe, mais que seules les distributions de probabilité des résultats pouvaient être prédites.
Ces découvertes ne posaient pas seulement des problèmes philosophiques mais aussi physiques.
Par exemple, il existe une relation d’incertitude inhérente entre la position et la quantité de mouvement de tout quantum de matière ou d’énergie. Mieux vous en mesurez un, plus l’autre devient intrinsèquement incertain. En d’autres termes, les positions et les moments ne peuvent pas être considérés uniquement comme une propriété physique de la matière, mais ils doivent être traités comme des opérateurs de mécanique quantique, ne produisant qu’une distribution de probabilité des résultats.
Pourquoi serait-ce un problème ?
Car ces deux grandeurs, mesurables à tout instant du temps que l’on choisit, ont une dépendance temporelle. Les positions que vous mesurez ou les impulsions que vous déduisez d’une particule changeront et évolueront avec le temps.
Ce serait bien en soi, mais il y a un autre concept qui nous vient de la relativité restreinte : la notion de temps est différente pour différents observateurs, donc les lois de la physique que nous appliquons aux systèmes doivent rester invariantes de manière relativiste. Après tout, les lois de la physique ne devraient pas changer simplement parce que vous vous déplacez à une vitesse différente, dans une direction différente ou que vous vous trouvez à un endroit différent de celui où vous vous trouviez auparavant.
Telle qu’elle était formulée à l’origine, la physique quantique n’était pas une théorie relativiste invariante ; ses prédictions étaient différentes pour différents observateurs. Il a fallu des années de développements avant que la première version relativiste invariante de la mécanique quantique ne soit découverte, ce qui ne s’est produit qu’à la fin des années 1920 .
Si nous pensions que les prédictions de la physique quantique originale étaient étranges, avec leur indéterminisme et leurs incertitudes fondamentales, toute une série de nouvelles prédictions ont émergé de cette version relativement invariante. Ils comprenaient :
- une quantité intrinsèque de moment cinétique inhérente aux quanta, appelée spin,
- moments magnétiques pour ces quanta,
- propriétés de structure fine,
- de nouvelles prédictions sur le comportement des particules chargées en présence de champs électriques et magnétiques,
- et même l’existence d’états d’énergie négative, qui étaient un casse-tête à l’époque.
Plus tard, ces états d’énergie négative ont été identifiés avec un ensemble de quanta « égaux et opposés » dont l’existence a été démontrée : des homologues d’antimatière aux particules connues. C’était un grand pas en avant d’avoir une équation relativiste décrivant les premières particules fondamentales connues, telles que l’électron, le positon, le muon, etc.
Cependant, cela ne pouvait pas tout expliquer. La désintégration radioactive était encore un mystère. Le photon avait les mauvaises propriétés de particules, et cette théorie pourrait expliquer les interactions électron-électron mais pas les interactions photon-photon. De toute évidence, un élément majeur de l’histoire manquait toujours.
Voici une façon d’y penser : imaginez un électron voyageant à travers une double fente. Si vous ne mesurez pas par quelle fente l’électron passe – et à ces fins, supposons que nous ne le fassions pas – il se comporte comme une onde : une partie de celui-ci passe par les deux fentes, et ces deux composants interfèrent pour produire un motif d’onde. L’électron interfère d’une manière ou d’une autre avec lui-même tout au long de son parcours, et nous voyons les résultats de cette interférence lorsque nous détectons les électrons à la fin de l’expérience. Même si nous envoyons ces électrons un par un à travers la double fente, cette propriété d’interférence demeure ; c’est inhérent à la nature mécanique quantique de ce système physique.
Maintenant, posez-vous une question à propos de cet électron : qu’advient-il de son champ électrique lorsqu’il traverse les fentes ?
Auparavant, la mécanique quantique avait remplacé nos notions de quantités telles que la position et l’impulsion des particules – qui n’étaient que des quantités avec des valeurs – par ce que nous appelons des opérateurs de mécanique quantique. Ces fonctions mathématiques « opèrent » sur des fonctions d’onde quantiques et produisent un ensemble probabiliste de résultats pour ce que vous pourriez observer. Lorsque vous faites une observation, c’est-à-dire lorsque vous faites interagir ce quantum avec un autre quantum dont vous détectez ensuite les effets, vous ne récupérez qu’une seule valeur.
Mais que faites-vous lorsque vous avez un quantum qui génère un champ et que ce quantum lui-même se comporte comme une onde décentralisée et non localisée ? C’est un scénario très différent de ce que nous avons envisagé jusqu’à présent en physique classique ou en physique quantique. Vous ne pouvez pas simplement traiter le champ électrique généré par cet électron étalé en forme d’onde comme provenant d’un seul point et obéissant aux lois classiques des équations de Maxwell. Si vous deviez déposer une autre particule chargée, comme un deuxième électron, elle devrait répondre à tout type de comportement quantique étrange que cette onde quantique provoquait.
Normalement, dans notre ancien traitement classique, les champs poussent sur des particules situées à certaines positions et modifient l’impulsion de chaque particule. Mais si la position et l’impulsion de la particule sont intrinsèquement incertaines, et si la ou les particules qui génèrent les champs sont elles-mêmes incertaines en position et en impulsion, alors les champs eux-mêmes ne peuvent pas être traités de cette manière : comme s’ils étaient une sorte de statique « arrière-plan » sur lequel les effets quantiques des autres particules se superposent.
Si nous le faisons, nous nous modifions nous-mêmes, manquant par nature la « quantité » des champs sous-jacents.
C’était l’énorme avancée de la théorie quantique des champs, qui n’a pas seulement promu certaines propriétés physiques en tant qu’opérateurs quantiques, mais a promu les champs eux-mêmes en tant qu’opérateurs quantiques.
(C’est aussi de là que vient l’idée de seconde quantification : parce que non seulement la matière et l’énergie sont quantifiées, mais aussi les champs.)
Tout à coup, traiter les champs comme des opérateurs de mécanique quantique a permis un nombre énorme de phénomènes qui avaient déjà observé pour enfin être expliqué, notamment :
- création et annihilation particule-antiparticule,
- les désintégrations radioactives,
- l’effet tunnel quantique aboutissant à la création de paires électron-positon,
- et corrections quantiques du moment magnétique de l’électron.
Avec la théorie quantique des champs, tous ces phénomènes avaient désormais un sens, et de nombreux autres liés pouvaient désormais être prédits, y compris le désaccord moderne très excitant entre les résultats expérimentaux pour le moment magnétique du muon et deux méthodes théoriques différentes pour le calculer : un non- un perturbatif, qui s’accorde avec l’expérience, et un perturbatif, qui ne le fait pas.
L’un des éléments clés de la théorie quantique des champs qui n’existerait tout simplement pas dans la mécanique quantique normale est la possibilité d’avoir des interactions champ-champ, et pas seulement des interactions particule-particule ou particule-champ.
La plupart d’entre nous peuvent accepter que les particules interagissent avec d’autres particules, car nous sommes habitués à ce que deux choses entrent en collision : une balle qui s’écrase contre un mur est une interaction particule-particule. La plupart d’entre nous peuvent également accepter que les particules et les champs interagissent, comme lorsque vous déplacez un aimant près d’un objet métallique, le champ attire le métal.
Bien que cela puisse défier votre intuition, l’Univers quantique ne se soucie pas vraiment de ce qu’est notre expérience de l’Univers macroscopique. C’est beaucoup moins intuitif de penser aux interactions terrain-terrain, mais physiquement, elles sont tout aussi importantes. Sans cela, vous ne pourriez pas avoir :
- les collisions photon-photon, qui sont essentielles à la création de paires matière-antimatière,
- les collisions gluon-gluon, qui sont responsables de la majorité des événements de haute énergie au Grand collisionneur de hadrons,
- et ayant à la fois une double désintégration bêta sans neutrino et une double désintégration bêta à double neutrino, dont la dernière a été observée et dont la première est toujours recherchée.
L’Univers, à un niveau fondamental, n’est pas seulement constitué de paquets quantifiés de matière et d’énergie, mais les champs qui imprègnent l’Univers sont également intrinsèquement quantiques.
C’est pourquoi pratiquement tous les physiciens s’attendent à ce que, à un certain niveau, la gravitation soit également quantifiée.
La relativité générale, notre théorie actuelle de la gravité, fonctionne de la même manière qu’un champ classique à l’ancienne : elle courbe l’arrière-plan de l’espace, puis des interactions quantiques se produisent dans cet espace courbe. Sans champ gravitationnel quantifié, cependant, nous pouvons être certains que nous négligeons les effets gravitationnels quantiques qui devraient exister, même si nous ne sommes pas certains de ce qu’ils sont tous.
En fin de compte, nous avons appris que la mécanique quantique est fondamentalement défectueuse en elle-même. Ce n’est pas à cause de quelque chose d’étrange ou d’effrayant qu’elle a apporté, mais parce que ce n’était pas assez étrange pour expliquer les phénomènes physiques qui se produisent réellement dans la réalité.
Les particules ont en effet des propriétés intrinsèquement quantiques, mais les champs aussi : tous invariants de manière relativiste. Même sans une théorie quantique actuelle de la gravité, il est presque certain que tous les aspects de l’Univers, particules et champs confondus, sont eux-mêmes de nature quantique. Ce que cela signifie pour la réalité, exactement, est quelque chose que nous essayons toujours de comprendre.
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